毕业设计150湖南工学院十字路口的交通灯控制电路设计Word文件下载.docx
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控制器是该系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作,控制着整个电路的运转。
对图中符号做如下用途:
TL:
表示甲车道或乙车道绿亮的时间间隔为25秒。
即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到,TL=1,否则,TL=0。
TY:
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到,TY=1,否则,TY=0。
ST:
表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。
由他
控制定时器开始下一个工作状态的工作。
十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下:
1)甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。
表示道上的车辆允许通行,乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一个工作状态。
(2)甲车道黄灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,转换到下一个工作状态。
(3)甲车道红灯亮,乙车道绿灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许通行。
绿灯亮足规定的时间间隔TL时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一个工作状态。
(4)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上未过停车线上的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,系统又转换到第
(1)种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器的。
设控制器的四种状态编码为00、01、10、11,并分别用S0、S1、S2、S3表示,则控制器的工作状态及其功能如表1-1所示。
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0(00)
甲绿,乙红
甲车道通行,乙车道禁止通行
S1(01)
甲黄,乙红
甲车道缓行,乙车道禁止通行
S2(11)
甲红,乙绿
甲车道禁止通行,乙车道缓行
S3(10)
甲红,乙黄
表1-1
控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见,把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并做如下规定:
AG=1:
甲车道绿灯亮;
BG=1:
乙车道绿灯亮;
AY=1:
甲车道黄灯亮;
BY=1:
乙车道黄灯亮;
AR=1:
甲车道红灯亮;
BR=1:
乙车道红灯亮;
由此得到交通灯的ASM图如下所示,设控制器的初始状态为S0,当S0的持续时间小于25秒时,TL=0,控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时,TL=1,控制器发出状态转换信号ST,并转换到下一个状态。
交通灯的设计
综合
2006年11月
方案选择
能实现此电路的方法很多,具体设计可以依照自身的条件选择方案。
第一种方案:
采用数字电子技术实现。
用基本的555芯片(利用单稳态实现定时),计数芯片(如74LS163,74LS160等)完成计时功能,控制电路芯片,译码芯片(如74LS138)等基本芯片,结合电阻,电容等基本元件,通过逻辑电路实现交通灯的功能。
第二种方案:
用EDA技术实现交通灯功能。
利用有限状态机(判断时间推回控制红绿灯的转换),用PLD来完成对交通灯的设计,可以实现交通灯主干道副干道黄红绿灯的转换。
设计可基于超高速硬件描述语言VHDL和在Altera公司的FLEX系列的CBA56020A芯片上编程实现。
通过仿真,调试和测试,可达到所需要的技术指标。
第三种方案:
使用单片可编程来实现交通灯的功能。
利用单片机的外围扩展,加上液晶显示电路和二极管构成基本硬件。
然后编程实现对定时,控制,显示电路的控制,然后调试,完成设计。
结合实际情况,现选用第一种方案对交通灯进行设计。
单元电路的设计
1、秒脉冲信号发生器电路:
秒脉冲可以由晶振电路构成(在要求精度比较高的情况下使用),也可以用555芯片与RC构成脉冲产生电路(在普通电路中使用),现时钟脉冲产生电路用一片555定时器构成多谐振荡器,设计脉冲周期为1s。
根据需要,我们要设计输出的振荡周期T=1s,则有:
T=tw1+tw2
tw1为电容C1上的电压又1/3Vcc充到2/3Vcc所需的时间,充电回路的时间常数为(R1+R2)C1。
tw1可用下公式估算:
tw1=(R1+R2)C1ln2
=0.7(R1+R2)C1
tw2为电容C1上的电压又2/3Vcc下降到2/3Vcc所需的时间,放电回路的时间常数为R2C1。
tw2可用下公式估算:
tw2=R2C1ln2=0.7R2C1
所以振荡周期T为
T=tw1+tw2=0.7(R1+2R2)C1
根据上式可估算出:
C1=1uFC2=0.01uF
R1=500KR2=470K
综上所述,我们可设计如下电路图1:
输出的1秒脉冲波形图:
2、定时器电路:
定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成。
首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1计数,向控制器提供模5的定时信号TY和模为25的定时信号TL。
计数器使用的集成芯片有很多,现选用计较简便的集成芯片74LS163进行设。
74LS163是4位二进制同步计数器,它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图如图2所示,其功能表如表1所示。
图中,
是低
电平有效的同步清零输入端,
是低电平有效才同步并行置数控制端,
、
CTT是计数控制端,CO是进位输出端,D0~D3是并行数据输入端,Q0~Q3是数据输出端。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图3所示。
输入
输出
CTP
CTT
CP
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
1
d0
d1
d2
d3
计数
保持
根据设计要求和74LS163的功能,我们可以列出其的真值表如下表所示:
时钟
Q7
Q6
Q5
Q4
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
由表可知,当Q3Q2Q1Q0从0000计到0100时为5秒,则进一位到Q4并把当前的计数值清零,当计到Q4Q5Q6Q7=0101时,则计数时间为25秒。
这样就实现了定时器的定时功能。
经设计的具体控制电路图如下:
当产生了所需的时间后,我们可用74LS74对所产生的结果进行锁存,这样我们就可以把锁存的结果送给控制器。
TY输出的为25秒的时钟,TL输出为5秒的时钟。
输出的25秒时钟波形图:
输出的5秒时钟波形图:
3、控制器电路设计:
控制器是交通管理的核心,它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
控制器的状态转换表,如表2-4所示。
选用两个D触发器FF1、FF0做为时序寄存器产生4种状态,控制器状态转换的条件为TL和TY,当控制器处于Q1nQ0=00状态时,如果TL=0。
则控制器保持在00状态;
如果TL=1,则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。
这两种情况与条件TY无关,所以用无关项“×
”表示。
其余情况依次类推,转换状态表2-4;
如下:
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
状态转换信号
Q1n
Q0n
TL
TY
Q1n+1
Q0n+1
ST
×
根据上状态转换表,我们可以推出状态方程和转换信号方程,其方法是:
将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与,其中"
1"
用原变量表示,"
0"
用反变量表示,然后将各与项相或,即可得到下面的方程:
我们根据以上的情况,可以选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数,将触发器的现态值(Q1nQ0)加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号,即可实现控制器的功能。
如下图所示:
设计的具体电路图如下所示:
4、译码器电路的设计:
译码器的主要任务是将控制电路的输出状态Q0、Q1的4种工作状态进行译码成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如下表所示:
状态
AG
AY
AR
BG
BY
BR
00
01
根据需要我们选择74LS138作为译码器,74LS138有3个输入端,我们可将其一段置为1,这样就可以输入两个状态来表示4个工作状态。
具体电路图如下所示:
发光二极管我们可以用共阳极接法。
5、所需元件清单:
元件名
数量
5G555
1块
74LS163
2块
74LS00
74LS74
74LS153
74LS138
74LS86
发光二极管
6个
200欧电阻
1K、500K、470K电阻各
1个
1uF、0.01uF、22uF电容各
总电路图
PCB图
电路板的制作
第一步:
选择铜板,清洁板面。
根据电路设计的实际大小,按尺寸裁好铜板,先用砂纸将板边打磨后掉毛刺,在板面上放少许去污粉,加水用布将板面擦亮,然后再用干布擦干;
第二步:
电路板的转印。
将设计好的印制电路图用转印纸转印到铜板上,注意在转印过程中,打印的电路图一定要与铜板对齐,并要用胶纸袋将一边固定一边用来排气,再将板子放进转印机内或者用熨斗将电路印上去。
转印好后板子不要马上就撕开转印纸,等到板子慢慢变冷后再慢慢撕去转印纸。
然后检查线路有无断开,若有就用油性炭笔将线条按原来的绘好。
第三步:
腐蚀电路板。
要用一份三氯化铁、两份水的质量比例配制好腐蚀液,水的温度不要高于50度。
腐蚀液放在玻璃容器中。
在将转印后无误的电路板放进腐蚀液中,并在隔一段时间后抖动板子,以加快腐蚀速度。
腐蚀完后,用清水冲洗板子并擦干。
第四步:
修板。
将腐蚀好的板子与原电路图对照,用刀子修整铜箔导线的边缘和焊盘,使导线边缘平滑无毛刺,焊盘光滑。
第五步:
钻孔。
按图样所标的尺寸钻好各个孔。
孔必须钻正、无毛刺。
第六步:
焊接元件。
将各个元件按照原理图分别焊接在相应的位置,注意有极性的元件并要保证焊接良好,无虚焊,没有短路,焊点光滑、美观。
电路板调试方案
首先我们将单元电路进行测试:
第一步是测试时钟脉冲信号,我们要求555芯片在其三脚输出一个周期为1HZ的标准脉冲,我们可将其它脚接到示波器上,接通电路,调节好示波器,看其输出的波形是符合我们所需要的脉冲,要是波形满足设计要求,则说明设计的时钟脉冲可以了,要是不行,则需检测电路,直到电路工作正常。
要是设计的电路不满足,则需重新将制。
第二步测试计数脉冲的可行性。
我们可以在电路是测试74LS163的信号输出引脚,用示波器观测其工作状态,若观测不到信号,先用万用表检测其电源引脚,是否有电源信号输入。
在有信号输入的情况下,若是没有观测到信号,检测信号引脚有无短路,接错的现象,直到将错误一个个排除,达到所需要求。
好的板子接入电源,并观察发光二极管的发光状态和测试发光时间,看是否满足设计要求。
第三步结合译码电路测试控制电路,这个只需看发光二极管的运行情况,如果在电路工作情况下、在接入电源后发现二极管不亮,首先,应检查二极管是否正常,我们可以先断开电源,再用数字万用表来测试看是否能发光;
若二极管正常,检测周围电路连接线是否合格,导线连接有没有问题。
我们应用数字万用表检查看是否出现短路,若有短路现象,则可能是由于虚焊所导致的,应检查电路中的各个焊点看是否牢固或者是没有焊接的。
第四步测试整个电路的运行情况。
在通电情况下,观察发光二极管的工作情况,是否按照所要求的状态运行,我们可结合示波器和万用表等实验仪器对其进行检测。
出现问题一定要耐心,细心的处理,切不可掉以轻心,直到排除错误。
在电路板的调试过程中,务必要按照要求进行,以防电路板被损坏。
批阅
制作电路板所用仪器及材料如下表
名称
铜板(10CM*20CM)
复印纸
1张
胶带
转印机
1台
大容量玻璃杯
三氯化铁
1瓶
高炭钢钻头(0.6mm)
微型钻床
电烙铁(40W)
焊锡丝
若干
心得体会
通过这次实际电子线路的综合设计试验,一方面加深了对基础知识的巩固和理解,另一方面对专业课程的知识的实际应用,尤其在电路综合设计这一块,更是感受深刻。
以前虽然做过电子方面的设计,如模拟电子和数字电子以及高频电子线路的设计,都是局限于比较单方面的知识,对综合性的知识应用较少。
这次在大家的齐心协力下,我们先对大体的电路进行设计,在弄明白了设计原理后,对总体电路进行设计,然后再将具体电路细化,化成基本单元进行电路进行设计。
在单元电路中,首先对每个单元所涉及的知识点进行了复习,因为有很多的方案可以适用于该单元电路,通过具体分析,选择最适合基本单元电路的方案设计,这样既可以节省设计成本,避免材料的浪费,也可以为以后的设计打下良好的基础。
随后对基本单元电路中所用到的芯片的功能进行了解,并用EWB对自己设计的具体电路进行了仿真。
在电路板的制作中我们遇到了许多困难,首先是在画原理图的时候,在生成PCB图时,设计软件自动检测到电路中许多的错误,这些错误直接影响到PCB的生成,不解决这些问题,下一步就无法完成,这些错误包括了电气接点的、元件封装的、元件在编辑过程中的一系列问题。
这些都是基本的但并不可少的错误,使得我们必须非常细心的,非常有耐心的去对待每一个小
问题,这对我们在设计电路中养成良好的习惯很有帮助。
解决了这些问题后,就可以很好的生成PCB图了。
第二个就是在转印过程中的问题,要是没有经验,一般转印就会失败。
一开始是转印时电路图没有转印好,不是孔没有对好就是线路多处断了,以至于有笔画都不感到困难,经过多次转印,终于成功了,想到这时是多么的高兴。
但这只是万里长征的第一步,在以后的制作中,我们也遇到了各种各样的困难,在我们大家的合作下,困难被我们逐个克服了。
在这次设计中是我受益颇多,让我更加深刻的理解了课本上的知识,和各种芯片的使用方法,并加强了动手能力。
对设计软件的使用是进一步熟练了,设计的经验值也很有提高,对硬件的制作更感兴趣了,以及制作好后对整个电路的调试方法也增多了,这使得我对电子这个专业更感兴趣了。
在这次设计实验中我还要感谢老师的指导以及同组的成员,是我们大家的共同努力,征服了本次设计的难题。
同时我也懂得团结的力量是巨大的。
在以后的道路上,还有许多的事情需要团结,合作,努力。
参考文献:
1、杨志忠.数字电子技术.北京:
高等教育出版社,2003
2、李世维,丁康源.数字集成电子技术教程.北京:
高等教育出版社,1993
3、唐泽荷,王应勋.数字逻辑电路基础.西安:
西安交通大学出版社,1994
4、清源计算机工作室编.Protel99SE原理图与PCB及仿真.北京:
机械工业出版社,2004
5、谢自美.电子线路设计、实验、测试.武汉:
华中理工大学出版社,1994
6、熊幸明.电工电子技能训练.北京:
电子工业出版社,2004
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